TWI670733B - 可調式漏感變壓器 - Google Patents

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邱煌仁
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Abstract

一種可調式漏感變壓器，包括磁芯、一次側線圈及二次側線圈。磁芯，包括上蓋板、下蓋板及磁芯柱結構。磁芯柱結構具有中心柱、第一外側柱及第二外側柱，中心柱具有面對第一外側柱的第一凹面以及面對第二外側柱的第二凹面，且第一外側柱及第二外側柱具有圓柱構造。一次側線圈分別以第一一次側線圈數及第二一次側線圈數繞製於第一外側柱及第二外側柱上。二次側線圈分別以第一二次側線圈數及第二二次側線圈數繞製於第一外側柱及第二外側柱上，且第一一次側線圈數不等於第一二次側線圈數，且第二一次側線圈數不等於第二二次側線圈數。

Description

可調式漏感變壓器
本發明涉及一種變壓器，特別是涉及一種可調式漏感變壓器。
為了能夠更有效的提升居家式能源儲存系統的效能，如何提升轉換效率和功率密度為雙向直流-直流轉換器重要的目標。高效能的雙向隔離型直流-直流轉換器常用的電路架構為CLLC諧振轉換器。對於CLLC電路來說，其特性與LLC電路相似，都可以利用設計諧振槽參數達到全負載範圍柔切，達到高效率及高功率密度的目的。
然而，由於LLC是非對稱諧振槽，在反向模式的時候其電壓增益無法調整成適用於雙向的應用，因此需要額外的二次側諧振電感達到CLLC這種對稱式的諧振槽設計，但同時會增加整體電路的損耗。此外，在高頻切換的情況下，即使增加二次側諧振電感，因為操作頻率從第一諧振點往第二諧振點移動的時候，會遭遇兩個增益曲線的波峰，這對於CLLC的電壓增益會有無法調節輸出電壓的問題，因此CLLC無法解決當電池充放電時候的寬輸出電壓範圍的變化。
為了達到寬輸出電壓範圍的應用，同時解決當電路操作在高頻時，操作頻率變壓範圍過大的情況，多半會採用兩級式電路克服上述的問題，其中前級的CLLC主要做為電氣隔離的作用，將其操作頻率固定在諧振頻率上用以達到最高轉換效率，同時透過第二級電路調整輸出電壓。為了提升CLLC 的電路轉換效率，可針對同步整流開關的導通時間和關閉時間做最佳化，然而，上述方式並非根本解決整體電路損耗的方法。
為了同時滿足雙向的諧振槽設計，CLLC架構需要三個磁性元件，分別是一次測的諧振電感、變壓器、二次側的諧振電感，由於過多的磁性元件會使的整體的損耗升高，即使對於磁性元件進行優化降低損耗，但是元件數目過多很難達到高功率密度的目標。
故，如何通過變壓器設計的改良，達成低損耗、高效率的整合變壓器來滿足雙向的諧振槽設計，同時克服上述的缺陷，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種可調式漏感變壓器。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是，提供一種可調式漏感變壓器，其包括磁芯、一次側線圈及二次側線圈。磁芯，包括上蓋板、下蓋板及磁芯柱結構。下蓋板相對於上蓋板設置，磁芯柱結構設置於上蓋板及下蓋板之間，具有中心柱以及設置在中心柱兩側的第一外側柱及第二外側柱，其中，中心柱具有面對第一外側柱的第一凹面以及面對第二外側柱的第二凹面，且第一外側柱及第二外側柱具有圓柱構造。一次側線圈分別以第一一次側線圈數及第二一次側線圈數繞製於第一外側柱及第二外側柱上。二次側線圈分別以第一二次側線圈數及第二二次側線圈數繞製於第一外側柱及第二外側柱上。其中，第一一次側線圈數不等於第一二次側線圈數，且第二一次側線圈數不等於第二二次側線圈數，且當一次側跨壓施加於一次側線圈或二次側跨壓施加於二次側線圈時，一次側線圈具有一次 側漏感，二次側線圈具有二次側漏感，且一次側漏感及二次側漏感與中心柱的截面積成正相關。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的可調式漏感變壓器，其能通過將CLLC的一次側諧振電感、變壓器以及二次側諧振電感整合為一個磁性元件，利用磁路讓磁通分流達到增加漏感的目的。因此，除了可滿足雙向的諧振槽設計，通過對變壓器設計的改良，亦可達成低損耗、高效率的整合變壓器。
再者，讓一二次側分別以不對稱的形式繞製在第一外側柱及第二外側柱上，利用中心柱的磁路讓磁通分流，進一步產生漏磁通，並且可以利用改變中心柱與第一外側柱及第二外側柱的有效截面積的比例，來達到調整漏感的目的。
更進一步來說，通過將磁芯的鐵損，以及一次側線圈及二次側線圈的銅損，以及總體積納入考量，可對磁芯的實際尺寸進行最佳化。若更進一步將集膚效應及鄰近效應對總交流電阻的影響納入考量，可對一次側線圈及二次側線圈的繞阻繞線的厚度進行最佳化。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
1‧‧‧可調式漏感變壓器
10‧‧‧磁芯
PC‧‧‧一次側線圈
SC‧‧‧二次側線圈
UC‧‧‧上蓋板
LC‧‧‧下蓋板
100‧‧‧磁芯柱結構
CC‧‧‧中心柱
OC1‧‧‧第一外側柱
OC2‧‧‧第二外側柱
PC1、SC1‧‧‧第一部份
PC2、SC2‧‧‧第二部份
PC3、SC3‧‧‧第三部份
w‧‧‧第一一次側線圈數
x‧‧‧第二一次側線圈數
y‧‧‧第一二次側線圈數
z‧‧‧第二二次側線圈數
Vp‧‧‧一次側跨壓
Vs‧‧‧二次側跨壓
wIp、xIp、yIs、zIs‧‧‧磁動勢
Vpw、Vpx、Vsy、Vsz‧‧‧跨壓
Φ1、Φ2、Φ3‧‧‧磁通量
RO、RC‧‧‧磁阻
Ip‧‧‧一次側電流
Is‧‧‧二次側電流
Llkp‧‧‧一次側漏感
Llks‧‧‧二次側漏感
Lm‧‧‧激磁電感為
n‧‧‧一二次側繞線圈數比
a、R‧‧‧距離
b‧‧‧最大寬度
c‧‧‧長度
t‧‧‧厚度
u‧‧‧柱高
r‧‧‧半徑
θ‧‧‧夾角
L1‧‧‧第一層
L2‧‧‧第二層
L3‧‧‧第三層
L11‧‧‧第十一層
L12‧‧‧第十二層
L4‧‧‧第四層
L5‧‧‧第五層
L6‧‧‧第六層
L7‧‧‧第七層
L9‧‧‧第九層
L10‧‧‧和第十層
L11‧‧‧第十一層
L12‧‧‧第十二層
圖1為本發明實施例的可調式漏感變壓器的側視示意圖。
圖2為圖1的I-I剖面的剖面示意圖。
圖3為本發明實施例的可調式漏感變壓器的一次側線圈及二次側線圈以部份交錯方式繞製的示意圖。
圖4及圖5為本發明實施例的可調式漏感變壓器的磁路布局圖。
圖6及圖7為本發明實施例的可調式漏感變壓器的等效磁路圖。
圖8為本發明實施例的可調式漏感變壓器的T模型(T network)示意圖。
圖9為本發明另一實施例的可調式漏感變壓器的一次側線圈及二次側線圈以部份交錯方式繞製的示意圖。
圖10為圖9的可調式漏感變壓器的模擬結果。
圖11為本發明實施例的可調式漏感變壓器的磁芯柱結構的俯視示意圖。
圖12為本發明實施例的可調式漏感變壓器的磁芯柱結構的側視示意圖。
圖13為本發明又一實施例的可調式漏感變壓器的磁芯繞組與磁動勢分布示意圖。
圖14為本發明又一實施例的可調式漏感變壓器在滿載的條件下，考量不同的比例參數式J值，得到的鐵心損耗與銅線損耗。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“可調式漏感變壓器”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。
應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者信號，但這些元件或者信號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一信號與另一信號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
為了降低高頻時的交流繞組損耗(AC winding loss)，會利用交錯式的繞組結構降低峰值磁動勢，但是這種作法會使的變壓器的漏感變得非常小，通常會降到nH等級，這對於需要一定漏感量設計諧振槽的CLLC架構來說是一種缺點，因此，本發明使用了可調式漏感的概念，使用三柱的變壓器結構即可達成。
詳細而言，其概念是讓一二次側分別以不對稱的形式繞製在外側柱上，利用中心柱的磁路讓磁通流經進一步產生漏磁通，並且可以利用中心柱與外側柱的有效截面積的比例達到調整漏感的目的。
可調式漏感的概念可以參閱圖1至圖3所示，圖1為本發明實施例的可調式漏感變壓器的側視示意圖，圖2為圖1的I-I剖面的剖面示意圖，圖3為本發明實施例的可調式漏感變壓器的一次側線圈及二次側線圈以部份交錯方式繞製的示意圖。
本發明第一實施例提供一種可調式漏感變壓器1，其包括：磁芯10、一次側線圈PC及二次側線圈SC。磁芯10包括上蓋板UC、下蓋板LC及磁芯柱結構100。下蓋板LC相對於上蓋板UC設置，磁芯柱結構100設置於上蓋板UC及下蓋板LC之間，具有中心柱CC以及設置在中心柱CC兩側的第一外側柱OC1及第二外側柱OC2，其中，中心柱CC具有面對第一外側柱OC1的第一凹面CS1以及面對第二外側柱OC2的第二凹面CS2，且第一外側柱OC1及第二外側柱OC2具有圓柱構造。
一次側線圈PC分別以第一一次側線圈數w及第二一次側線圈數繞製x於第一外側柱OC1及第二外側柱OC2上。二次側線圈SC分別以第一二次側線圈數y及第二二次側線圈數z繞製於第一外側柱OC1及第二外側柱OC2上。
在本實施例中，一次側線圈PC及二次側線圈SC以部份交錯方式繞設於第一外側柱OC1及第二外側柱OC2上。其概念在於，讓一二次側分別以不對稱的形式繞製在第一外側柱OC1及第二外側柱OC2上。利用中心柱CC的磁路讓磁通流經，進一步產生漏磁通，並且可以利用改變中心柱CC與第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的有效截面積的比例，來達到調整漏感的目的。
如圖3所示，一次側線圈PC及二次側線圈SC於第一外側柱OC1上以一次側線圈PC的第一部份PC1、二次側線圈SC的第一部份SC1、一次側線圈PC的第二部份PC2的順序繞設，且於第二外側柱OC2上以二次側線圈SC的第二部份SC2、一次側線圈PC的第三部份PC3、二次側線圈SC的第三部份SC3的順序繞設。
請進一步參閱圖4及圖5，其為本發明實施例的可調式漏感變壓器的磁路布局圖。
可調式漏感的概念可以進一步利用圖4及圖5表示。變壓器的一次側跨壓為Vp，二次側跨壓為Vs。其中，將一次側線圈PC拆成兩個部分，其中一部分在第一外側柱OC1上逆時針以第一一次側線圈數w繞製，另外一部分在第二外側柱OC2順時針以第二一次側線圈數x繞製，同樣的，二次側線圈SC也拆成兩個部分，其中，一部分在第一外側柱OC1順時針以第一二次側線圈數y繞製，另外一部分在二次側線圈SC上逆時針以第二二次側線圈數z繞製，並且，w不等於x，且y不等於z。
可以一次側電流Ip及二次側電流Is根據下式(1)將繞組的磁動勢分別寫成wIp、xIp、yIs、zIs，各自的跨壓分別是Vpw、Vpx、Vsy、Vsz，第一外 側柱OC1、中心柱CC及第二外側柱OC2的磁通量分別為Φ1、Φ2及Φ3。第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的磁阻均為RO，且中心柱的磁阻為RC。
其中mmf為磁動勢(magnetomotive force)，R為磁阻，N為線圈數，I為電流。
接著，可參考圖6及圖7，其為本發明實施例的可調式漏感變壓器的等效磁路圖。利用重疊定理，將為第一外側柱OC1產生的磁通所流經的磁阻進行等效。其中，從磁芯結構的觀點來說，因為第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的磁阻RO相同，意味著，磁通量Φ1及Φ3所流經的等效磁阻RΦ1及RΦ3會相同，如式(2)所示。
得到磁通流經的磁阻後，進一步將磁通量Φ1以式(3)表示。
雖然磁通量Φ1與Φ3的等效磁阻RΦ1及RΦ3一樣，但是因為磁柱上的磁動勢不一樣，因此Φ3可以表示成式(4)。
因為中心柱CC上面沒有任何繞組，因此只將第一外側柱OC1與第二外側柱OC2的磁通列出。
上文中，已經利用重疊定理得到第一外側柱OC1及第二外側柱OC2上的繞組產生的磁動勢，接下來，考慮到到磁通分流的部分，將第一外側柱OC1、中心柱CC及第二外側柱OC2所得到的總磁通量Φ1_total、Φ2_total及Φ3_total 利用式(5)~式(7)表示。
由圖4及圖5可以得到可調式電感變壓器1的一次側跨壓Vp為跨壓Vpw及Vpx的總和，可調式電感變壓器1的二次側跨壓為Vs為跨壓Vsy及Vsz的總和。透過法拉第公式如式(8)所示，得到電壓V與圈數n還有時變磁通dΦ/dt的關係。
將可調式電感變壓器1的一次側跨壓Vp及二次側跨壓Vs如式(9)、式(10)表示。
有了可調式電感變壓器1從法拉第公式得到的電壓與磁阻和圈數的關係後，藉由變壓器的T模型(T network)，如圖8所示，其為本發明實施例的可調式漏感變壓器的T模型(T network)示意圖。
其中，變壓器的一次側跨壓為Vp，變壓器的二次側跨壓為Vs，變壓器的一次側漏感為Llkp，變壓器的二次側漏感為Llks，變壓器的激磁電感為Lm。利用T模型，可以將二次側跨壓Vs、電流Is和二次側漏感Llks等效回變壓器一次側的形式，並將結果以式(11)與式(12)表示。
變壓器的一二次側繞線圈數比n以式(13)表示。
接下來利用式(9)、式(11)與式(10)、式(12)進行比對，可以利用變壓器一次側的漏感與激磁電感還有二次側的漏感與磁路和繞線圈數的關係，如式(14)~式(16)。
利用對照的方式可以得到激磁電感Lm與變壓器等效的一次側漏感Llkp及二次側漏感Llks模型，如式(17)~式(19)。
換言之，當一次側跨壓Vp施加於一次側線圈PC或二次側跨壓Vs施加於二次側線圈SC時，一次側線圈PC具有一次側漏感Llkp，二次側線圈SC具有二次側漏感Llks。
在本發明的實施例中，所採用的可調式漏感的概念中的前提在於，一次側線圈PC及二次側線圈SC必須要分繞在第一外側柱OC1及第二外側柱OC2上，且分繞的繞組圈數不能夠相等，即是w須不等於x，且y須不等於z。根據先前推導的磁路模型式(17)~式(19)中，如果發生上面分繞圈數相同的情況，對於激磁電感Lm來說沒有太大的影響，但是對於一次側漏感Llkp及二次側漏感Llks來說都會為零，這代表如果沒有外側柱的圈數差異，就不會在中心柱CC產生漏磁通進而達到漏感可調的目的。
接著，請參照圖9，其為本發明另一實施例的可調式漏感變壓器的一次側線圈及二次側線圈以部份交錯方式繞製的示意圖。
如圖所示，其中細線為一次側線圈PC，粗線為二次側線圈SC，其餘方塊部份包括第一外側柱OC1、中心柱CC及第二外側柱OC2，第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的寬度為0.5mm，接著令中心柱CC為變數，由0.1mm變化至1mm，觀察中心柱CC對於一二次側漏感的變化。如圖所示，本實施例所使用的繞線方式為一次側線圈PC於第一外側柱OC1順時針繞六圈、二次側線圈SC於第一外側柱OC1逆時針繞一圈，一次側線圈PC於第二外側柱OC2逆時針繞三圈、二次側線圈SC於第二外側柱OC2順時針繞兩圈，形成不對稱式繞組。
其模擬結果可以透過圖10呈現，圖10為圖9的可調式漏感變壓器的模擬結果。其中可以發現，非對稱繞組的漏感量，無論是一次側漏感Llkp或二次側漏感Llks，都會隨著中心柱CC的截面積變大而有明顯的增加，換言之，一次側漏感Llkp及二次側漏感Llks與中心柱CC的截面積成正相關。與之不同的，若採用現有對稱式繞組的擺置方式，無論中心柱CC的寬度增加多少，都不會使得一二次側的漏感量有變動。
根據上述實施例，可知本發明的可調式漏感變壓器可以利用一個三柱型式的磁芯來達成。而對於現有的三柱型式的磁芯，在外側柱的形狀是可以用來繞線的情況下，一般多使用PQ磁芯或是RM磁芯，然而，此情形下由於外側柱的形狀不易走線，多半會選擇EI鐵心或是EE鐵心進行繞製。
然而，當印刷電路板(PCB)在EI鐵心或是EE鐵心使用方形繞線時，容易在走線的內側轉角發生電流密度較高的問題，這會使得熱點容易累積在轉角處。而在PQ磁芯中使用圓形繞線時，相較於方形走線，電流密度的分布則均勻許多，本發明的磁芯柱結構100即是基於此前提，而採用圓柱構造的第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的有效截面積進行設計。
為了在三柱型鐵心的兩個外側柱繞線達到可調式漏感的目標，同時也想讓電流在PCB繞線上均勻分布，本發明的可調式漏感變壓器的磁芯柱結構100進一步如圖11及12所示，其分別為本發明實施例的可調式漏感變壓器的磁芯柱結構的俯視示意圖及側視示意圖。
可調式漏感的實現方式僅在第一外側柱OC1及第二外側柱OC2繞線，中心柱CC不放置任何繞線，中心柱CC的截面積形狀可以配合繞線形狀進行設計，更加有效的利用變壓器的繞線空間。本發明的磁芯柱結構100將兩個單獨的PQ鐵心合併，利用合併的部分作為磁芯的中心柱CC，並且移除PQ鐵心的一邊外側柱，達成一新型的三柱磁芯柱結構100。
此外，需要將磁芯10的鐵損，以及一次側線圈PC及二次側線圈SC的銅損，以及總體積納入考量，並以此觀點針對磁芯10的實際尺寸進行設計。
首先會先針對漏感與激磁感的比例進行中心柱面積與外側柱面積進行說明。根據圖9的諧振槽設計，其變壓器圈數比為9：3，並將一次側線圈PC的6圈與二次側線圈SC的1圈逆時針繞製在第一外側柱OC1上，一次側線圈PC的3圈與二次側線圈SC的2圈順時針繞在第二外側柱OC2上。
根據圖4的標示，w為6、x為3、y為2、z為1，將此繞線的圈數帶入式(17)和式(18)中可以得到激磁電感Lm與一次側漏感Llkp的關係式，如式(20)所示。
下來將第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的磁阻RO、中心柱CC的磁阻RC以式(21)與式(22)表示，其中，第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的磁路長度為lo，中心柱的磁路長度為lc，第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的有效截面積為Ao，中心柱CC的有效截面積為Ac。在本實施例中，假設一次側漏感Llkp需求為4μH，激磁電感Lm需求為20μH，帶入式(26)中可以得到第一外側柱OC1與中心柱CC的截面積比為9：8。
如圖11、12所示，其中第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的有效截面積半徑為r，中心柱CC的有效截面積的長度為c，第一外側柱OC1的 中心點至第一凹面CS1的距離及第二外側柱OC2的中心點至第二凹面CS2的距離為R，第一外側柱OC1的中心點至中心柱CC的中心點的連心線與第一外側柱OC1的中心點至中心柱CC的有效截面積的最高點的夾角為θ，a為第一外側柱OC1的中心點至中心柱CC有效截面積的最高點的兩倍水平距離、中心柱的最大寬度為b、t為上蓋板UC及下蓋板LC的厚度，u為中心柱CC的柱高。
接下來考慮到整體的電路功率密度的前提下，將磁芯的整體寬度設為60mm，同時考慮到圖11的θ值，如果θ值越接近90°，磁芯的整體長度會變得越長，但是θ值越接近0°，鐵心整體的寬度會變得越寬，所以θ可由下式(23)表示：
且θ在30度至60度的範圍內，在本實施例中，選擇θ值為45°進行設計。接下來，將第一外側柱OC1及第二外側柱OC2的有效截面積半徑定義為r，第一外側柱OC1的中心點至第一凹面CS1的距離及第二外側柱OC2的中心點至第二凹面CS2的距離R則定義為磁芯可繞線半徑的寬度。為了在鐵心損耗與銅線損耗之間找到最佳點，因此將R與r之間的關係定義為J，如式(24)所示。
當圖中的θ值為45°時，可以將圖10中的a和表示成與R和比例參數式的型式，如式(25)所示。
而中心柱的最大寬度為b則是可以利用第一外側柱OC1與中心柱CC比例為9：8的設計，將b的量值以式(26)表示。
同時，為了滿足總寬度為60mm，可以將鐵心可繞線半徑的寬度，亦即，第一外側柱OC1的中心點至第一凹面CS1的距離及第二外側柱OC2的中心點至第二凹面CS2的距離R，以式(27)表示。
此外，由於上蓋板UC及下蓋板LC的截面積需與外側柱相等，才能確保磁通流過時不會有飽和或是磁通密度過大的情形，因此可以將中心柱的厚度t以式(28)表示。
接下來將磁芯10的外側柱與中心柱CC的有效截面積分別以式(29)和式(30)表示。
A o (J)=πr(J)2 (29)
藉由上述推導的參數，可將磁芯10的總體積以式(31)表示。
V el (J)=A c (J)．z+2．A o (J)．z+2．Volume I (31)
其中z為該柱的柱高，VolumeI為上蓋板UC及下蓋板LC的體積。鐵心的銅線繞製寬度可以表示成式(32)所示。
Copper(J)=R(J)-r(J) (32)
接下來考慮鐵心損耗，首先將峰值磁通密度以參數式的方式表示，如式(33)所示。
其中，Vin為輸入電壓400V，f為操作頻率700kHz，np為一次側線圈PC的線圈數。在圈數比為3：1的情況下，本實施例選擇9圈做為可調式電感變壓器1的一次側線圈PC的圈數，且選擇3圈作為二次側線圈SC的圈數。
接著將鐵心損耗以式(34)表示。
Coreloss(f,n p ,J)=P v ．(B max(f,n p ,J))．V el (J) (34)
其中Pv為磁芯10的單位體積損耗，其量值與操作頻率f和峰值磁通Bmax的量值成指數比，如式(35)所示。
P v =Cm．f X ．B max y (35)
其中Cm、x、y都可以從磁芯製造商的規格書得到，在定頻的情況下，只需要考慮到峰值磁通密度即可。
首先可以將變壓器一次側繞組與二次側繞組的直流電阻分別以式(36)與式(37)表示。
其中一次側線圈PC的總繞線長度以Lengthpri表示、二次側線圈SC的總繞線長度為Lengthsec表示，ρ為銅線的電阻率，h為繞組的厚度，Widthpri、Widthsec分別為一次側線圈PC與二次側線圈SC所採用銅線的寬度。
因此，通過上述說明，通過將磁芯10的鐵損，以及一次側線圈PC及二次側線圈SC的銅損，以及總體積納入考量，可對磁芯10的實際尺寸進行最佳化。
請參考圖13，其為本發明又一實施例的可調式漏感變壓器的磁芯繞組與磁動勢分布示意圖。圖13為本發明採用的繞組結構，包括部分交錯式的結構方式。其中，一次側線圈PC位於第一外側柱OC1的第一層L1、第二層L2、第十一層L11及第十二層L12，以及第二外側柱OC2的第四層L4、第五層L5、第六層L6、第七層L7，均是並聯的形式，二次側線圈SC位於第一外側柱OC1的第六層L6、第七層L7、第九層L9，以及第一層L1、第二層L2、第三層L3和第十層L10、第十一層L11、第十二層L12都是並聯形式。
接下來考慮到繞阻繞線厚度的最佳化，此分析必須觀察交流電阻的影響得知，基於Dowell’s的前提假設，銅箔(copper foil)在激勵源弦波電流的條件下，可以將集膚效應對於交流電阻(AC Resistance)Rac_skin的影響，以式(38)表示。
其中ξ=h/δ，h為導體的厚度，δ為導體的集膚深度。
而鄰近效應對於交流電阻Rac_proximity的影響以式(39)表示。
對於多層走線的應用來說，鄰近效應的影響遠大於集膚效應，其影響力又可以透過每一層對應到的磁動勢m的大小來表示，當採用全交錯式的繞法可以達到最小的磁動勢，因此磁動勢m的影響可以降到最低，但是如果採用的是非全交錯式繞法，就會使對應到較大磁動勢的繞阻的交流電阻大幅度上升，將式(38)與式(39)加總即可得到總交流電阻Rac_total，如式(40)所示。
R ac_total =R ac_skin +R ac_proximity (40)
考量到電路板製造商的最大銅片厚度只能到2oz的條件下，由總 交流電阻Rac_total可以得到銅片厚度，在不同的J值下，選擇2oz有最低的交流電阻。
圖14為本發明又一實施例的可調式漏感變壓器在滿載的條件下，考量不同的比例參數式J值，得到的鐵心損耗與銅線損耗。如同上所述的式(24)，當J越大的時候r會越小，因此磁芯損耗會隨之上升，而繞線面積半徑R就會隨之變大，因此銅線損耗會逐漸變小，當J越小則反之。透過圖14可以發現當J選定在1.69的時候有損耗的最小值，但是同時考慮到高功率密度的目標，鐵心的總體積也是相當重要的一個因素，透過圖14可以發現總損耗與鐵心體積的最佳點的J為2.00，比較這兩個J值的總損耗與鐵心體積，如表1所示。
根據表1可以發現當J為2的時候，總損耗是J為1.69的1.03倍，但是鐵心的總體積是0.9倍，因此綜合考量上面兩個因素，選擇J為2做為最後的設計值。
因此，通過上述說明，通過將磁芯10的鐵損，以及一次側線圈PC及二次側線圈SC的銅損、總體積及總交流電阻Rac_total納入考量，可對繞阻繞線的厚度進行最佳化。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的可調式漏感變壓器，其能通過將CLLC的一次側諧振電感、變壓器以及二次側諧振電感整合為一個磁性元件，利用磁路讓磁通分流達到增加漏感的目的。因此，除了可滿足雙向的諧振槽設計，通過對變壓器設計的改良，亦可達成低損耗、高效 率的整合變壓器。
再者，讓一二次側分別以不對稱的形式繞製在第一外側柱及第二外側柱上，利用中心柱的磁路讓磁通分流，進一步產生漏磁通，並且可以利用改變中心柱與第一外側柱及第二外側柱的有效截面積的比例，來達到調整漏感的目的。
更進一步來說，通過將磁芯的鐵損，以及一次側線圈及二次側線圈的銅損，以及總體積納入考量，可對磁芯的實際尺寸進行最佳化。若更進一步將集膚效應及鄰近效應對總交流電阻的影響納入考量，可對一次側線圈及二次側線圈的繞阻繞線的厚度進行最佳化。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

Claims (10)

  1. 一種可調式漏感變壓器，其包括：一磁芯，包括：一上蓋板；一下蓋板，相對於該上蓋板；一磁芯柱結構，係設置於該上蓋板及該下蓋板之間，具有一中心柱以及設置在該中心柱兩側的該一第一外側柱及一第二外側柱，其中該中心柱具有面對該第一外側柱的一第一凹面以及面對該第二外側柱的一第二凹面，且該第一外側柱及該第二外側柱具有圓柱構造；一一次側線圈，分別以一第一一次側線圈數及一第二一次側線圈數繞製於該第一外側柱及該第二外側柱上；以及一二次側線圈，分別以一第一二次側線圈數及一第二二次側線圈數繞製於該第一外側柱及該第二外側柱上，其中該第一一次側線圈數不等於該第一二次側線圈數，且該第二一次側線圈數不等於該第二二次側線圈數，其中當一一次側跨壓施加於該一次側線圈或一二次側跨壓施加於該二次側線圈時，該一次側線圈具有一一次側漏感，該二次側線圈具有一二次側漏感，且該一次側漏感及該二次側漏感與該中心柱的截面積成正相關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的可調式漏感變壓器，其中該一次側線圈及該二次側線圈係以部份交錯方式繞設於該第一外側柱及該第二外側柱上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的可調式漏感變壓器，其中該一次側線圈及該二次側線圈於該第一外側柱上以該一次側線圈的第 一部份、該二次側線圈的第一部份、該一次側線圈的第二部份的順序繞設，且於該第二外側柱上以該二次側線圈的第二部份、該一次側線圈的第三部份、該二次側線圈的第三部份的順序繞設。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的可調式漏感變壓器，其中該一次側線圈的第一部份及該一次側線圈的第二部份的圈數和為該第一一次側線圈數，且該二次側線圈的第二部份及該二次側線圈的第三部份的圈數和為該第二二次側線圈數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的可調式漏感變壓器，其中該第一外側柱的磁阻與該第二外側柱的磁阻相等。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的可調式漏感變壓器，其中該第一外側柱的磁阻與該第二外側柱的磁阻為RO，該中心柱的磁阻為RC，該第一一次側線圈數為w圈，該第二一次側線圈數為x，該第一二次側線圈數為y，且該第二二次側線圈數為z，該可調式漏感變壓器的激磁電感為Lm，由下式表示：
  7. 如申請專利範圍第5項所述的可調式漏感變壓器，其中該一次側漏感為Llkp，由下式表示：
  8. 如申請專利範圍第5項所述的可調式漏感變壓器，其中該二次側漏感為Llks，由下式表示：
  9. 如申請專利範圍第6項所述的可調式漏感變壓器，其中該第一外側柱及該第二外側柱的等效磁路長度及有效截面積分別為lO 及AO，該中心柱的等效磁路長度及有效截面積分別為lC及AC，該第一外側柱的磁阻與該第二外側柱的磁阻及該中心柱的磁阻由下式表示：；以及 ，其中μ0為真空磁導率，μr為該磁芯的相對磁導率。
  10. 如申請專利範圍第5項所述的可調式漏感變壓器，其中，該第一外側柱及該第二外側柱的有效截面積半徑為r，該中心柱的有效截面積的長度為c，該第一外側柱的中心點至該第一凹面的距離及該第二外側柱的中心點至該第二凹面的距離為R，該第一外側柱的中心點至該中心柱的中心點的一連心線與該第一外側柱的中心點至該中心柱的有效截面積的最高點的夾角為θ，由下式表示：，且θ在30度至60度的範圍內。
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